Классификация компрессорных машин и их
Основные характеристики.
Основными характеристиками компрессорных машин являются: производительность (объемный расход всасываемого газа), степень сжатия b, мощность на валу компрессора Nв.
Степенью сжатия b называется отношение конечного давления p2, создаваемого компрессорной машиной, к начальному давлению p1, при котором происходит всасывание газа .
В зависимости от степени сжатия различают следующие типы компрессорных машин:
1. компрессоры (b > 3,0) - для создания высоких давлений;
2. газодувки (1,1 < b < 3,0) - для перемещения газов при относительно высоком сопротивлении газопроводящей сети;
3. вентиляторы (b < 1,1) - для перемещения газов при низком гидравлическом сопротивлении сети;
Поскольку в вентиляторах степень сжатия b мала, изменением плотности газа можно пренебречь.
В зависимости от величины абсолютного давления компрессорные машины делятся на: вакуумные (начальное давление ниже атмосферного) их еще называют вакуумными насосами; низкого давления (конечное давление газа 0.115 - 1.0 МПа), высокого ( конечное давление 1.0 - 100 МПа) и сверхвысокого (конечное давление свыше 100 МПа).
По способу сжатия газа компрессорные машины подразделяются на две группы: объемные и динамические.
В объемных компрессорах процесс сжатия газа происходит при периодическом изменении объема, занимаемого газом. В конструктивном отношении их подразделяют на поршневые и роторные.
В динамических компрессорах процесс сжатия происходит под действием непрерывного создания ускорений в движущемся потоке газа. Конструктивно их делят на центробежные и осевые.
Процессы сжатия газов. (Термодинамические основы). Конечное давление газа при сжатии зависит от условий теплообмена газа с окружающей средой. Теоретически возможны два предельных случая сжатия:
1). все выделяющееся при сжатии тепло полностью отводится и температура газа при сжатии остается неизменной - изотермический процесс;
2). теплообмен газа с окружающей средой полностью отсутствует и все выделяющееся при сжатии тепло затрачивается на повышение внутренней энергии газа, повышая его температуру - адиабатный процесс.
В действительности сжатие газа лишь в большей или меньшей степени приближается к одному из этих теоретических процессов. При сжатии газа наряду с изменением его объема и давления происходит изменение температуры и одновременно часть выделяющегося тепла отводится в окружающую среду. Такой процесс сжатия называется политропным.
Теоретическая мощность Nт(вт), затрачиваемая на сжатие газа компрессором, определяется по уравнению:
(19)
где G= r - массовая производительность компрессора, кг/с; A¢K – теоретическая работа, затрачиваемая компрессором на сжатие 1 кг газа, Дж/кг.
Объемные компрессоры.
Поршневые компрессоры делятся по числу всасываний и нагнетаний за один двойной ход поршня на компрессоры простого (одинарного) и двойного действия. За один двойной ход поршня компрессор простого действия производит одно всасывание и одно нагнетание, компрессор двойного действия - два всасывания и два нагнетания.
Ступенью сжатия называется часть компрессорной машины, где газ сжимается до конечного или промежуточного (перед поступлением на следующую ступень) давления. По числу ступеней поршневые компрессоры подразделяются на одноступенчатые и многоступенчатые, которые, в свою очередь, могут быть горизонтальными и вертикальными.
Принцип действия и теоретическая диаграмма работы поршневого компрессора. На рис.13 изображена схема компрессора простого действия. Поршень 2 движется возвратно - поступательно в цилиндре 1, снабженным всасывающим 3 и нагнетательным 4 клапанами. Поршень плотно прилегает к тщательно обработанной внутренней поверхности цилиндра.
Рис.13. Схема поршневого компрессора простого действия:
1 – цилиндр; 2 – поршень; 3, 4 – всасывающий и нагнетательный клапаны; 5 и 6 – патрубки для входа и выхода охлаждающей воды; 7 – рубашка.
Движение поршня осуществляется при помощи кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию от двигателя. При движении поршня вправо газ при давлении р1 всасывается через клапан 3; при движении в обратную сторону газ сначала сжимается до требуемого давления р2 и затем вытесняется через клапан 4 в нагнетательный газопровод. Для отвода теплоты сжатия газа вокруг наружной поверхности цилиндра устанавливается рубашка 7, в которую подается холодная вода (5 - вход воды) и отводится нагретая вода (выход 6).
На рис.14 представлена теоретическая рабочая диаграмма для компрессора простого действия. При перемещении поршня от крайнего левого положения газ через открывшийся всасывающий клапан засасывается в цилиндр (линия 4-1). Когда поршень займет крайнее правое положение, пройденный поршнем объем V1 наполнится газом с давлением р1 и температурой Т1(на диаграмме точка 1). Когда поршень начнет двигаться влево, всасывающий клапан закрывается и начинается сжатие газа (линия 1-2). Поршень будет находиться в положении 2, когда давление газа достигнет величины противодавления в нагнетательном газопроводе, равного р2; при этом откроется нагнетательный клапан и сжатый газ начнет выталкиваться при постоянном давлении р2 в нагнетательный трубопровод (линия 2-3). На диаграмме процесс сжатия изобразится кривой 1-2, а процесс нагнетания прямой 2-3.
Теоретическая работа, совершаемая поршневым компрессором за один цикл (два хода поршня) Ак¢, будет определяться как алгебраическая сумма работ всасывания (площадь 4571), сжатия (площадь 1267) и нагнетания (площадь 2356), т.е. изображаться площадью 1234 (20)
Предполагается, что процессы всасывания и нагнетания происходят при постоянном давлении.
Величина теоретической работы компрессора зависит от условий, при которых происходит сжатие газа, что обуславливается различными значениями А¢1-2 , а также А¢наг . Наименьшая работа затрачиваемая компрессором наблюдается в изотермическом процессе, а наибольшая - в адиабатном. На практике при работе компрессора показатель политропы может оказаться большим, чем показатель адиабаты (m>к). Это объясняется выделением дополнительного тепла при трении движущихся деталей компрессора, гидравлическим сопротивлением и т.д. В этом случае работа, затрачиваемая компрессором при политропном процессе будет больше, чем при адиабатном процессе (площадь 1234).
Рис.14. Теоретическая рабочая диаграмма поршневого компрессора простого действия.
Действительная диаграмма работы поршневого компрессора. Производительность компрессора. Для определения производительности компрессора по его главным размерам (площадь поперечного сечения поршня F, ход поршня S) и числу оборотов вала n пользуются действительной рабочей диаграммой компрессора. Ее отличие от теоретической обусловлено главным образом тем, что не весь сжатый газ вытесняется из цилиндра в конце рабочего хода поршня. По конструктивным причинам в пространстве между рабочей плоскостью поршня и крышкой цилиндра, носящем название вредного пространства, всегда остается некоторое количество газа, сжатого до давления р2. Всасывание новой порции газа не начнется до тех пор, пока остаток сжатого газа не расширится до давления р1, а точнее до р0 < р1, т. к. для открытия всасывающего клапана необходима некоторая разность давлений во всасывающем трубопроводе и цилиндре р1 - р0. Следовательно, всасывание газа будет происходить не на протяжении всего хода поршня S, а лишь на пути S1< S (рис.15).
Рис.15. Действительная диаграмма поршневого компрессора простого действия.
Действительная диаграмма компрессора показана на рис.15, где S0- приведенная длина вредного пространства, пропорциональная его объему; линия 4 - 1 - участок всасывания; 1 - 2 - участок сжатия; 2 - 3 - участок нагнетания; 3 - 4 - участок расширения газа, остающегося во вредном пространстве. Таким образом, производительность одноступенчатого компрессора простого действия, отнесенная к параметрам состояния всасываемого газа, выразится так: . Отношение объема всасываемого газа FS1к объему, описанному поршнем за один ход FS, называется объемным коэффициентом полезного действия компрессора: (21)
Таким образом (22)
Объемный к.п.д. падает с увеличением объема вредного пространства и с ростом степени сжатия р2/ р1. По этой причине стремятся при проектировании компрессоров к возможному уменьшению величины l0; на практике l0= 0,03 - 0,08.
Уменьшение l0 c ростом степени сжатия, как это следует из имеет предел, называемый пределом сжатия, при котором l0 становится равным нулю (S1=0).
На диаграмме (рис.15) давления р1, р2соответствуют давлениям во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, а р0- давление в цилиндре компрессора в момент открытия всасывающего клапана.
Действительная рабочая диаграмма компрессора, получаемая при помощи индикатора - индикаторная диаграмма (рис.15), отличается от теоретической также характером линий всасывания и нагнетания. Это вызвано, во-первых, тем, что сопротивления клапанов изменяются на протяжении хода поршня в связи с изменением его скорости и должны быть максимальными во время их открытия (выступы в начале рассматриваемых линий). Во-вторых, клапаны не открываются мгновенно, поэтому на индикаторной диаграмме отсутствуют резко выраженные пересечения всех линий. Следует учитывать, что реальная производительность компрессора Vpнесколько ниже вследствие утечки газа через неплотности клапанов и поршня, подогрева поступающего газа о нагретые стенки цилиндра и др. Это учитывается соответственно коэффициентом герметичности и теоретическим коэффициентом . Таким образом действительная производительность компрессора находится как
, (23)
где - коэффициент подачи.
Многоступенчатое сжатие газа в поршневых компрессорах.
Увеличение степени сжатия ведет к увеличению температуры газа в цилиндре компрессора. Так, например, воздух, имея начальную температуру 20°С, нагревается до 160° С при сжатии его от 0,1 до 0,4 МПа, т.е. при р2/р1 = 4, при показателе политропы m = 1,4.
По указанным причинам для достижения степеней сжатия газов выше 4 - 6 применяют многоступенчатые компрессоры, состоящие из ряда последовательно расположенных ступеней (цилиндров) двойного или простого действия со степенью сжатия в каждой ступени не более 4 - 5. Это обеспечивает достижение приемлемого объемного к.п.д., позволяя одновременно поддерживать допустимую температуру сжимаемого газа путем его охлаждения при переходе из каждой предыдущей ступени в последующую.
Расход энергии на сжатие газа в поршневых компрессорах. Работа трения поршня о цилиндр, штока в сальниках, вала в подшипниках и т.д. учитывается механическим к.п.д. компрессора hмех. При производительности компрессора G кг/с мощность на его валу выразится так
(24)
Частота вращения вала поршневого компрессора обычно не превышает 200 об/мин, поэтому при использовании электродвигателя требуется промежуточная передача, к.п.д. которой обозначим через hпер. Для определения полного к.п.д. компрессорной установки hкнеобходимо учитывать к.п.д. двигателя hд:
(25)
Полная мощность компрессорной установки будет:
(26)
Роторные компрессоры.
Отличительной чертой роторных (ротационных) компрессоров является наличие в качестве рабочего органа вращающегося ротора различных конструкций. Ниже будут рассмотрены три типа роторных компрессоров.
Пластинчатые компрессоры. Пластинчатый компрессор работает по принципу поршневого компрессора: газ сжимается в результате уменьшения рабочего объема межпластинчатой камеры. Достигаемая на практики степень сжатия газа обычно равна 3 - 4. Роторные пластинчатые компрессоры изготавливают одно - и двухступенчатыми, у последних увеличивается конечная степень сжатия газа.
Водокольцевые компрессоры. В водокольцевом компрессоре лопасти жестко соединены с ротором и одинаковы по длине. Перед пуском компрессор примерно на половину заливают водой. При вращении ротора вода под действием центробежной силы отбрасывается к периферии и образует вращающееся водяное кольцо, которое несколько толще в зоне всасывания и тоньше в зоне нагнетания из - за разности давлений в этих зонах. Между лопастями ротора и водяным кольцом образуются ячейки, объем которых за время первой половины оборота ротора увеличивается, а за время второй половины - уменьшается. Газ засасывается через патрубок, а сжатый газ выходит через патрубок. Сжатие газа происходит в ячейках, благодаря уменьшению их объема. Таким образом, по принципу действия водокольцевой компрессор аналогичен пластинчатому, но роль корпуса и прорезей здесь выполняет жидкостное кольцо.
Давление, которое создает водокольцевой компрессор, невелико. Поэтому его используют как газодувку.
Динамические компрессоры.
Центробежные компрессоры. Центробежные компрессоры по принципу действия аналогичны центробежным насосам. Они имеют одно или несколько лопастных колес, при вращении которых развивается центробежная сила, сообщающая газу кинетическую энергию, преобразующуюся затем в энергию давления. В данном случае рабочим телом, в отличие от центробежных насосов, является газ, сжатие которого сопровождается уменьшением объема. По величине создаваемого избыточного давления центробежные компрессоры носят следующие наименования:
турбокомпрессоры - рабочее давление более 0,3 МПа;
турбогазодувки - от 0,01 до 0,3 МПа;
вентиляторы - до 0,01 МПа.
Турбогазодувки отличаются от турбокомпрессоров числом рабочих колес (ступеней сжатия): первые имеют 1 - 4, а вторые до 16 и более.
Степень сжатия в турбогазодувках не превышает 3, поэтому в турбогазодувках сжимаемый газ между ступенями не охлаждают.
Для получения более высоких степеней сжатия, чем в турбогазодувках, применяют турбокомпрессоры, по устройству аналогичные турбогазодувкам, но имеющие значительно большее число рабочих колес. В турбокомпрессорах по мере перехода к ступеням более высокого давления уменьшается не только ширина, но и диаметр рабочих колес. В связи с значительной степенью сжатия газа в турбокомпрессорах и соответствующим увеличением температуры газа производят его охлаждение, которое осуществляют путем подачи холодной воды в специальные каналы внутри корпуса, либо в выносных промежуточных холодильниках. Давление нагнетания в турбокомпрессорах достигает 2,5 - 3,0 МПа.
Центробежные вентиляторы. Центробежные вентиляторы условно делятся по величине избыточного давления на вентиляторы низкого давления (Р < 103 Па); среднего давления (Р=103- 3×103 Па) и высокого давления (Р= 3×103- 104 Па). Рабочие колеса вентиляторов низкого и среднего давления, обладающих большими производительностями, имеют относительно большую ширину. Для того, чтобы обеспечить прочность и жесткость широких колес, окружная скорость их ограничивается (не более 30 - 50 м/с). Поэтому рабочие колеса таких вентиляторов изготавливаются с лопатками, загнутыми вперед, не считаясь с понижением гидравлического к.п.д. lгвентилятора.
У вентиляторов высокого давления, обладающих меньшей производительностью, ширина колес относительно невелика. Поэтому их лопатки обычно загнуты назад.
Характеристики центробежных вентиляторов подобны характеристикам центробежных насосов. Рабочий режим устанавливается по точке пересечения характеристики центробежного вентилятора с характеристикой сети.
Осевые компрессоры и вентиляторы. Осевые компрессоры имеют значительное число ступеней (10 - 20) и работают без охлаждения газа. Они имеют высокий к.п.д., обеспечивают высокую производительность (более 20 м3/c), но создаваемое ими давление не превышает 0,5 - 0,6 МПа.
Осевые вентиляторы имеют сходство с осевым компрессором в том, что газ в нем движется вдоль оси вентилятора.Вследствие низкого сопротивления, оказываемого вентилятором движущемуся потоку газа, и незначительности потерь на трение газа о лопатки, к.п.д осевых вентиляторов существенно выше, чем у центробежных.В то же время напор, развиваемый осевыми вентиляторами, в 3 - 4 раза меньше, чем у центробежных вентиляторов, поэтому осевые вентиляторы применяют для перемещения больших количеств газа при незначительном сопротивлении сети.
Вакуум-насосы
Ряд процессов химической технологии осуществляется под вакуумом (например, сублимационная сушка, молекулярная дистилляция и др.)
По величине остаточного давления различают низкий, средний и высокий вакуум.
При низком вакууме преобладают столкновения молекул газа между собой. Длина свободного пробега молекул газа l значительно меньше линейного размера сосуда, в котором заключен газ, d (l << d).
При среднем вакууме число соударений молекул газа между собой и число столкновений молекул со стенкой сосуда примерно равны (l » d).
При высоком вакууме преобладают столкновения молекул газа со стенками сосуда (l >> d).
При понижении давления длина свободного пробега молекул увеличивается в значительной степени. Так при давлении 133,3 × 10-3 Па l » 10 см, а при давлении 133,3 × 10-11 Па l » 10 км.
На практике при низком вакууме часто применяется единица измерения «процент вакуума», причем
% вакуума =
где Р0 - остаточное давление в сосуде, из которого откачивается газ, Па.
Вакуум - насосы и их характеристики. Вакуум - насосами (вакуумными компрессорами) называются устройства, которые откачивают газ из производственной емкости с давлением ниже атмосферного и, сжимая его, выталкивают в атмосферу. В данном разделе мы будем рассматривать только вакуум насосы двух типов, применяемых в промышленности: объемные и динамические.
Объемные вакуум-насосы.
Поршневые вакуум-насосы. Поршневые вакуум - насосы применяются в химической промышленности в тех процессах, где требуется давление 0,6 - 13 кПа и для откачки больших объемов воздуха (до 1 м3/с). По своему устройству поршневой вакуум - насос мало отличается от устройства рассмотренных ранее поршневых насосов и компрессоров. Они имеют специальное газораспределительное устройство, связывающее цилиндр, откачиваемый объект и атмосферу. Поршневые вакуум - насосы бывают «сухие» и «мокрые». Первые откачивают из аппарата только газ, а вторые могут откачивать смесь газа с жидкостью. В конструктивном отношении «сухие» и «мокрые» вакуум - насосы совершенно одинаковы, за исключением распределительного устройства.
Вращательные вакуум-насосы со скользящими пластинами. По конструкции аналогичны роторным пластинчатым компрессорам. Они применяются для удаления основной массы воздуха или газа из производственных емкостей больших размеров, а также для создания централизованных систем предварительного разрежения. Предельное давление перед насосом не может быть меньше 1,3 - 3,3 кПа.
Вращательные вакуум-насосы с жидкостным поршнем аналогичны по конструкции водокольцевым компрессорам Они применяются в трех случаях, где требуется давление 3,3 - 80 кПа, а также тогда, когда не допускается соприкосновение газа со смазкой и возможно воспламенение газа при низкой температуре. Они относятся к «мокрым» вакуум - насосам и могут откачивать газ в смеси с жидкостью, из производительность от 0,7×104 до 0,13 м3/с.
Двухроторные бессмазочные вакуум-насосы аналогичны по конструкции компрессору с двумя вращающимися поршнями. Эти вакуум - насосы требуют предварительного разрежения в аппарате перед их включением в работу. Предельное давление обеспечиваемое насосом равно 1 Па.